一种航空发动机用聚四氟乙烯软管脉冲寿命计算方法

摘要

本申请属于发动机部件试验技术领域，具体涉及一种航空发动机用聚四氟乙烯软管脉冲寿命计算方法。该方法包括确定发动机最大工作压力下的聚四氟乙烯软管的当量密度；测量聚四氟乙烯软管的一阶固有频率；构建聚四氟乙烯软管的有限元模型，在所述有限元模型中，通过给定弹性模量范围计算其内对应的一阶固有频率，当计算的一阶固有频率与步骤三测量的一阶固有频率相同时，确定此时的当量弹性模量；运用所述有限元模型，计算得到应力云图；基于预定的疲劳载荷历程，计算所述聚四氟乙烯软管的疲劳寿命值。本申请给出了脉冲寿命的计算方法，有利于软管在研发初期确定脉冲寿命是否满足要求，进而进行改进设计，缩短研发周期。

权利要求

1.一种航空发动机用聚四氟乙烯软管脉冲寿命计算方法，其特征在于，包括：

步骤一、确定发动机最大工作压力下的聚四氟乙烯软管的当量密度；

步骤二、将聚四氟乙烯软管的一端封堵，另一端施加所述发动机最大工作压力的预定倍数的压力；

步骤三、测量聚四氟乙烯软管的一阶固有频率；

步骤四、构建聚四氟乙烯软管的有限元模型，在所述有限元模型中，通过给定弹性模量范围计算其内对应的一阶固有频率，当计算的一阶固有频率与步骤三测量的一阶固有频率相同时，确定此时的当量弹性模量；

步骤五、运用所述有限元模型，计算得到应力云图；

步骤六、将应力云图数据载入到疲劳分析软件中，输入所述当量密度、泊松比、当量弹性模量及参考S‑N曲线，并基于预定的疲劳载荷历程，计算所述聚四氟乙烯软管的疲劳寿命值。

2.如权利要求1所述的航空发动机用聚四氟乙烯软管脉冲寿命计算方法，其特征在于，步骤一中，所述当量密度ρ通过以下公式计算：其中，L为聚四氟乙烯软管的长度，d1为聚四氟乙烯软管的内径，d2为聚四氟乙烯软管的外径，M为聚四氟乙烯软管的质量。

3.如权利要求1所述的航空发动机用聚四氟乙烯软管脉冲寿命计算方法，其特征在于，步骤二中，所述预定倍数为1.5倍。

4.如权利要求1所述的航空发动机用聚四氟乙烯软管脉冲寿命计算方法，其特征在于，步骤二中的聚四氟乙烯软管的固定方式与步骤一中的发动机装机状态下的聚四氟乙烯软管的固定方式相同。

5.如权利要求1所述的航空发动机用聚四氟乙烯软管脉冲寿命计算方法，其特征在于，步骤三中，通过力锤冲击法测量聚四氟乙烯软管的一阶固有频率。

6.如权利要求1所述的航空发动机用聚四氟乙烯软管脉冲寿命计算方法，其特征在于，步骤四中，在所述有限元模型中，边界条件与发动机装机状态相同，内压力为所述发动机最大工作压力的预定倍数的压力，设置当量弹性模量从10MPa～1000MPa范围内变化，通过二分法搜索当量弹性模量，以使得在该当量弹性模量下计算的一阶固有频率与测量的一阶固有频率相同。

7.如权利要求1所述的航空发动机用聚四氟乙烯软管脉冲寿命计算方法，其特征在于，步骤四中，在构建聚四氟乙烯软管的有限元模型时，选取的参数包括泊松比，其中，当所述聚四氟乙烯软管的内管为直管时，泊松比取3.4，当所述聚四氟乙烯软管的内管为波纹管时，泊松比取4.2。

8.如权利要求1所述的航空发动机用聚四氟乙烯软管脉冲寿命计算方法，其特征在于，步骤六中，所述参考S‑N曲线是指自S‑N曲线组中，选取与待试验的聚四氟乙烯软管的内径最接近的一个S‑N曲线，所述S‑N曲线中，纵坐标为寿命N的对数，横坐标为应力值S。

9.如权利要求8所述的航空发动机用聚四氟乙烯软管脉冲寿命计算方法，其特征在于，步骤六之前进一步包括对S‑N曲线进行修正，所述修正包括：选择多根管路按照发动机最大工作压力进行脉冲试验，得到脉冲次数，同时通过有限元模型得到最大应力，根据脉冲次数及最大应力之间的关系修正所述S‑N曲线。

10.如权利要求1所述的航空发动机用聚四氟乙烯软管脉冲寿命计算方法，其特征在于，步骤六中，预定的疲劳载荷历程包括多个连续的脉冲载荷循环，每个脉冲载荷循环中载荷的最小值为发动机最大工作压力的0.2倍，最大值为发动机最大工作压力的1.5倍。

说明书

一种航空发动机用聚四氟乙烯软管脉冲寿命计算方法

技术领域

[0001] 本申请属于发动机部件试验技术领域，具体涉及一种航空发动机用聚四氟乙烯软管脉冲寿命计算方法。

背景技术

[0002] 航空发动机管路系统作为航空发动机的重要组成部分，起着输送燃油、滑油、空气等介质输送的功能。基于部分发动机附件存在位移补偿需求、管路系统装配误差补偿需求、以及减震需求等，在管路系统中采用了聚四氟乙烯软管。航空发动机用聚四氟乙烯软管组件由聚四氟乙烯内管(内部附有导电层)、钢丝增强层、金属连接件和防火橡胶层等部分组成。航空发动机管路工作环境恶劣，承受着压力脉动、振动、变形、温度等载荷，其管路结构的能否可靠工作直接影响航空发动机乃至飞机飞行的安全性。软管的脉冲寿命是软管设计重要的设计指标，对于保证航空发动机工作的安全性，制定聚四氟乙烯软管的维修策略意义重大。在聚四氟乙烯软管研制的初期，结合航空发动机工况情况，以及聚四氟乙烯软管的使用条件，通过少量试验，结合有限元仿真分析得到脉冲寿命，可以减少聚四氟乙烯软管的设计迭代，缩短研制周期，节省研制费用。

[0003] 金属硬管寿命计算基于金属疲劳开展理论计算和仿真分析，能很好的解决部分金属疲劳寿命计算问题。申请号为201910401845.4的中国发明专利中，给出了一种空调管路疲劳寿命判定方法，给出通过大量产品的振动试验获取成品级S‑N曲线的方法，并进行应力测试，得到工作循环，以此建立模型进行寿命判定。金属硬管计算方法因材料特性不同不适用于聚四氟乙烯软管寿命计算。聚四氟乙烯软管研发初期没有一种空调管路疲劳寿命判定方法的试验条件和数据积累条件，因此在技术上很难实现。成本方面，采用大量试验进行验证，造成了较大的成本浪费，极容易出现研制工作的反复。在效率方面，试验方法的效率较低，不能满足航空发动机研制周期的需要。因此现有技术不满足航空发动机用聚四氟乙烯软管的研制需求。

发明内容

[0004] 为了解决上述问题之一，本申请提供了一种航空发动机用聚四氟乙烯软管脉冲寿命计算方法，解决工作状态下聚四氟乙烯软管有限元模型建立的问题，建立适配聚四氟乙烯软管工作状态下的分析模型，分析软管的受力情况；给出常用规格的参考S‑N曲线，以及相关的修正方法，用于后续寿命计算；建立寿命评估模型，计算软管的脉冲寿命，为软管设计提供指导。

[0005] 本申请航空发动机用聚四氟乙烯软管脉冲寿命计算方法，主要包括：

[0006] 步骤一、确定发动机最大工作压力下的聚四氟乙烯软管的当量密度；

[0007] 步骤二、将聚四氟乙烯软管的一端封堵，另一端施加所述发动机最大工作压力的预定倍数的压力；

[0008] 步骤三、测量聚四氟乙烯软管的一阶固有频率；

[0009] 步骤四、构建聚四氟乙烯软管的有限元模型，在所述有限元模型中，通过给定弹性模量范围计算其内对应的一阶固有频率，当计算的一阶固有频率与步骤三测量的一阶固有频率相同时，确定此时的当量弹性模量；

[0010] 步骤五、运用所述有限元模型，计算得到应力云图；

[0011] 步骤六、将应力云图数据载入到疲劳分析软件中，输入所述当量密度、泊松比、当量弹性模量及参考S‑N曲线，并基于预定的疲劳载荷历程，计算所述聚四氟乙烯软管的疲劳寿命值。

[0012] 优选的是，步骤一中，所述当量密度ρ通过以下公式计算：

[0013]

[0014] 其中，L为聚四氟乙烯软管的长度，d1为聚四氟乙烯软管的内径，d2为聚四氟乙烯软管的外径，M为聚四氟乙烯软管的质量。

[0015] 优选的是，步骤二中，所述预定倍数为1.5倍。

[0016] 优选的是，步骤二中的聚四氟乙烯软管的固定方式与步骤一种的发动机装机状态下的聚四氟乙烯软管的固定方式相同。

[0017] 优选的是，步骤三中，通过力锤冲击法测量聚四氟乙烯软管的一阶固有频率。

[0018] 优选的是，步骤四中，在所述有限元模型中，边界条件与发动机装机状态相同，内压力为所述发动机最大工作压力的预定倍数的压力，设置当量弹性模量从10MPa～1000MPa范围内变化，通过二分法搜索当量弹性模量，以使得在该当量弹性模量下计算的一阶固有频率与测量的一阶固有频率相同。

[0019] 优选的是，步骤四中，在构建聚四氟乙烯软管的有限元模型时，选取的参数包括泊松比，其中，当所述聚四氟乙烯软管的内管为直管时，泊松比取3.4，当所述聚四氟乙烯软管的内管为波纹管时，泊松比取4.2。

[0020] 优选的是，步骤六中，所述参考S‑N曲线是指自S‑N曲线组中，选取与待试验的聚四氟乙烯软管的内径最接近的一个S‑N曲线，所述S‑N曲线中，纵坐标为寿命N的对数，横坐标为应力值S。

[0021] 优选的是，步骤六之前进一步包括对S‑N曲线进行修正，所述修正包括：选择多根管路按照发动机最大工作压力进行脉冲试验，得到脉冲次数，同时通过有限元模型得到最大应力，根据脉冲次数及最大应力之间的关系修正所述S‑N曲线。

[0022] 优选的是，步骤六中，预定的疲劳载荷历程包括多个连续的脉冲载荷循环，每个脉冲载荷循环中载荷的最小值为发动机最大工作压力的0.2倍，最大值为发动机最大工作压力的1.5倍。

[0023] 本申请明确了聚四氟乙烯软管建立有限元仿真模型的修正方法，快速确定当量弹性模量，给出了寿命计算的必要条件，脉冲寿命的计算方法，有利于软管在研发初期确定脉冲寿命是否满足要求，进而进行改进设计，缩短研发周期，为航空发动机软管设计和维修策略制定提供了技术支撑。

附图说明

[0024] 图1为本申请航空发动机用聚四氟乙烯软管脉冲寿命计算方法的一优选实施例的流程图；

[0025] 图2a‑2f为不同内径规格的聚四氟乙烯软管的S‑N曲线示意图；

[0026] 图3为对S‑N曲线进行修正示意图；

[0027] 图4为疲劳载荷历程示意图。

具体实施方式

[0028] 为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

[0029] 本申请提供了一种航空发动机用聚四氟乙烯软管脉冲寿命计算方法，基于等效弹性模量，从整体维度建立有限元仿真模型，分析聚四氟乙烯软管受力情况，基于工程数据给出了设计参考S‑N曲线，同时给出了载荷历程加载曲线，在此基础上给出了计算聚四氟乙烯软管脉冲寿命的方法。该方法用于航空发动机外部管路中的聚四氟乙烯软管在脉冲载荷下的寿命计算，在聚四氟乙烯软管研制初期，校核软管结构是否满足设计要求，促进设计优化和改进，对于提升设计质量、缩短研发周期具有重要意义。

[0030] 如图1所示，本申请提供的航空发动机用聚四氟乙烯软管脉冲寿命计算方法主要包括：

[0031] 步骤一、确定发动机最大工作压力P压力下的聚四氟乙烯软管的当量密度。

[0032] 在一些可选实施方式中，所述当量密度ρ通过以下公式计算：

[0033]

[0034] 其中，L为聚四氟乙烯软管的长度，d1为聚四氟乙烯软管的内径，d2为聚四氟乙烯软管的外径，M为聚四氟乙烯软管的质量。

[0035] 步骤二、将聚四氟乙烯软管的一端封堵，另一端施加所述发动机最大工作压力P压力的预定倍数的压力。

[0036] 在一些可选实施方式中，软管的一端用堵盖堵住，另一端施加1.5倍的发动机最大工作压力P压力，软管的固定方式与发动机装机状态相同

[0037] 步骤三、测量聚四氟乙烯软管的一阶固有频率。

[0038] 在一些可选实施方式中，通过力锤冲击法测量聚四氟乙烯软管的一阶固有频率，记为ω测试。所述敲击法需要使用力锤和高精度激光位移传感器，测试得到固有频率。

[0039] 需要说明的是，力锤冲击法是用来测试传递函数中最常用的一个方法。利用力锤作为一个激励源给测试对象一个瞬态的的激励，并引起被测物体在一定频带范围内的振动响应，这个响应可以被信号分析仪捕捉并分析。这个频带的范围与力锤有关，包括其大小，材料。冲击信号和响应信号都将被分析仪捕捉并且记录下来，然后分析仪将根据上述两个信号计算出物体的传递函数来。

[0040] 步骤四、构建聚四氟乙烯软管的有限元模型，在所述有限元模型中，通过给定弹性模量范围计算其内对应的一阶固有频率，当计算的一阶固有频率与步骤三测量的一阶固有频率相同时，确定此时的当量弹性模量。

[0041] 该步骤中，根据步骤一得到的L、d1、d2、ρ、泊松比μ，建立有限元模型。在一些可选实施方式中，当所述聚四氟乙烯软管的内管为直管时，泊松比取3.4，当所述聚四氟乙烯软管的内管为波纹管时，泊松比取4.2。

[0042] 在一些可选实施方式中，步骤四中，在所述有限元模型中，边界条件与发动机装机状态相同，内压力为所述发动机最大工作压力P压力的预定倍数的压力，设置当量弹性模量从10MPa～1000MPa范围内变化，通过二分法搜索当量弹性模量，以使得在该当量弹性模量下计算的一阶固有频率与测量的一阶固有频率相同。

[0043] 该实施例中，通过有限元计算弹性模量为(10MPa～1000MPa)的固有频率值，与测试频率ω测试相比较，进行搜索，直到找到计算固有频率和测试固有频率相等为止，此时的弹性模量为当量弹性模量E当量。

[0044] 步骤五、运用所述有限元模型，计算得到应力云图。

[0045] 可以理解的是，在建立的有限元模型上，添加边界条件，包括考虑压力P工作、软管扭转角度θ、补偿距离S等，即可计算得到应力云图，并保存计算数据。

[0046] 步骤六、将应力云图数据载入到疲劳分析软件中，输入所述当量密度、泊松比、当量弹性模量及参考S‑N曲线，并基于预定的疲劳载荷历程，计算所述聚四氟乙烯软管的疲劳寿命值。

[0047] 该实施例中，疲劳分析软件为Fe‑safe。

[0048] 在一些可选实施方式中，步骤六中，所述参考S‑N曲线是指自S‑N曲线组中，选取与待试验的聚四氟乙烯软管的内径最接近的一个S‑N曲线，所述S‑N曲线中，曲线纵坐标采用对数坐标，为脉冲寿命N的对数，横坐标为应力值S。

[0049] 图2a‑2f分别给出了内径6，8，13，15，20，25为主要规格的聚四氟乙烯软管的S‑N曲线，相邻规格可以选取相近的曲线作为参考。

[0050] 在一些可选实施方式中，步骤六之前进一步包括对S‑N曲线进行修正，所述修正包括：选择多根管路按照发动机最大工作压力P压力进行脉冲试验，得到脉冲次数，同时通过有限元模型得到最大应力，根据脉冲次数及最大应力之间的关系修正所述S‑N曲线。

[0051] 该实施例中，当规格不同结构相同的管路，首先取相邻规格的S‑N曲线。至少选择1个点进行修正，方法为：选择3根管路按照工作压力P工作进行脉冲试验，得到脉冲次数N1。通过有限元模型得到最大应力σ1，根据D1(σ1，N1)，对模型进行修正。修正方法见图3，图3中，曲线6为根据N1将左侧曲线单点平移获得的曲线，该曲线即修正曲线。其中序号7为原曲线，序号6为修正曲线。在一个可选实施方式中，采用多点修正时，可以采用最小二分法对曲线进行拟合。

[0052] 在一些可选实施方式中，步骤六中，预定的疲劳载荷历程包括多个连续的脉冲载荷循环，每个脉冲载荷循环中载荷的最小值为发动机最大工作压力P压力的0.2倍，最大值为发动机最大工作压力P压力的1.5倍。在一个具体的算例中，疲劳载荷历程如图4所示，其中，施加的压力值为图4所示曲线上纵轴的数乘以发动机最大工作压力P压力。

[0053] 本申请明确了聚四氟乙烯软管建立有限元仿真模型的修正方法，快速确定当量弹性模量，给出了寿命计算的必要条件，脉冲寿命的计算方法，有利于软管在研发初期确定脉冲寿命是否满足要求，进而进行改进设计，缩短研发周期，为航空发动机软管设计和维修策略制定提供了技术支撑。

[0054] 虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本申请作了详尽的描述，但在本申请基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本申请精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本申请要求保护的范围。